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Die
Erfindung betrifft eine Federstange mit mindestens einem schlanken
Schaft und mindestens einem Stützträger der
mit den Anschlagenden einen Spalt bildet, insbesondere als längenvariables
Pleuel in einem Verbrennungsmotor zur Variation des Verdichtungsverhältnisses.
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Bei üblichen
Verbrennungsmotoren ist ein bestimmtes Verdichtungsverhältnis als
Kompromiss zwischen einer maximalen Leistung bei Volllast und eines
minimalen Kraftstoffverbrauches bei Teilllast festgelegt. Um das
Kompressionsverhältnis
während des
Betriebes des Verbrennungsmotors zu verändern wurden Systeme mit veränderlichen
Kompressionsverhältnissen
mittels der folgenden beispielhaften Maßnahmen entwickelt:
- – Bewegung
von Zylinderblöcken,
- – Veränderung
von Zylinderkopfgeometrien,
- – Veränderungen
von Kolbengeometrien,
- – exzentrische
Kurbelwelle,
- – exzentrische
Pleuellagerung,
- – spezielle
Kurbelmechanismen,
- – veränderliche
Kolben und Pleuel
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Als
ein Hauptnachteil dieser beispielhaft genannten Konzepte ist anzusehen,
daß diese
sehr komplex aufgebaut sind, wobei eine innere Reibung der jeweiligen
Verbrennungsmotoren erhöht
wird, so daß einige
Vorteile hierdurch bereits kompensiert werden. Zudem sind diese
beispielhaft genannten Ansätze
bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren sehr kostenintensiv.
Bei einer exzentrischen Pleuellagerung müssen die einzelnen Bauteile
zudem derart stark dimensioniert werden, daß die typischerweise hohen
Gas- und/oder Massenkräfte
moderner Verbrennungsmotoren ertragen werden. Ein weiterer Nachteil
ist, das sich das Verdichtungsverhältnis nur sehr langsam ändern lässt und
innerhalb eines Arbeitstaktes quasi konstant ist.
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- – Einen
Zylinder mit einem Einlaßventil,
einem Auslaßventil,
einem Kraftstoffeinspritzventil und einer Zündkerze;
- – einen
Kolben mit einem Lager, der sich in dem Zylinder hin- und herbewegt;
- – ein
Bindeglied mit einer J-förmigen
Pleuelstange mit einem oberen Ende und einem unteren Ende, einem
oberen Augenende, welches in dem oberen Ende eingebracht ist und
durch einen Kolbenbolzen mit dem Kolben verbunden ist, einem Augenende,
welches in dem unteren Ende eingebracht ist; und
- – zumindest
eine Kurbelwelle zur Übertragung
einer Drehbewegung des Bindegliedes zu einer Auslaßkraftachse,
welche damit lagernd verbunden ist, wobei die Kurbelwelle mit den
jeweiligen Enden des Bindegliedes und der Kraftauslaßachse verbunden
ist.
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Nachteilig
bei dem in der
EP 1
164 272 A1 genannten Verbrennungsmotor ist, daß die Vorspannung
nicht eingestellt werden kann, und daß die Abstand der beiden Pleuelaugen
zueinander, welcher das Verdichtungsverhältnis bestimmt, nicht begrenzt werden
kann. Dieser Abstand hängt
im wesentlichen nur von der Ausgestaltung des Pleuels und vom jeweiligen
Verbrennungsdruck ab. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich das Pleuel
bei hohen Drehzahlen durch die Zugkräfte der oszillierenden Massen
verlängert
und dadurch der Kolben den Zylinderkopf berühren kann.
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Die
US 4,111,164 offenbart einen
Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit einem Zylinder, einem hin- und
hergehenden Kolben, Einspritzmitteln zum Einspritzen von Gasgemischen
in den Zylinder, Zündelemente
zur Zündung
des Gasgemisches, Auslaßmittel
zum Auslassen des verbrannten Gasgemisches aus dem Zylinder, eine
Kurbelwelle sowie Verdichtungsfederelemente, die derart zwischen
dem Kolben und der Kurbelwelle wirken, daß sich die Kurbelwelle aufgrund
der Hin- und Herbewegung des Kolbens dreht. Dem Verbrennungsmotor
sind Mittel zur Ausdehnungsbegrenzung der Federelemente zugeordnet,
um die Feder mit einer Kraft zusammenzudrücken, die im Wesentlichen gleich
der Kolbenkraft ist, die erforderlich ist, das Gasgemisch zur Verbrennung
zu verdichten, wenn der Motor im Wesentlichen ohne Last betrieben
wird. Die Federelemente sind als steife Verbindungselemente zwischen
dem Kolben und der Kurbelwelle ausgestaltet und stellen eine elastische
Verdichtungsverbindung zur Verfügung, wenn
der Motor im Wesentlichen unter Last betrieben wird. Die Federelemente
sind zwischen dem Kolben und der Kurbelwelle im Wesentlichen im
Verhältnis zur
Belastung des Motors zusammendrückbar.
Nachteilig ist hierbei, dass sich die Kolben drehen können. Des
weiteren ist die Befestigung der Seile an den beiden Pleuelaugen
sehr aufwendig, um die durch die oszillierenden Kolbenmassen verursachten
Zugkräfte übertragen
zu können.
Ein weiteres Problem ist, dass der zusätzlich erforderliche Einbauraum
für die Unterbringung
der Seilbefestigung im Bereich der beiden Pleuelaugen sowie der
Raum zur Ausbiegung der Seile innerhalb der Feder im Bereich der
Pleuelgeige zwischen Pleuel und Zylinderlaufbahn nicht vorhanden
ist.
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Die
US 5,769,042 offenbart ein
Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors während eines
Verbrennungsprozesses. Der Motor weist zumindest einen Zylinder
und einen zugeordneten Kolben auf, um eine Arbeitskammer zu bilden.
Der Kolben weist einen oberen Bereich mit einer Oberfläche auf,
um eine hin- und hergehende Wand der Arbeitskammer zu bilden. Der
Kolben weist aber auch einen unteren Bereich auf, der Mittel zur
Verbindung mit einem Motormechanismus hat. Zudem hat der Kolben elastische
Elemente zur elastischen Verbindung des oberen Bereiches mit dem
unteren Bereich. Der untere Bereich ist mit dem Motormechanismus
verbunden, damit der Kolben während
des Betriebes bewegt wird, so daß die Arbeitskammer mit ihrem
Volumen während
der Verbrennung im Allgemeinen erhöht wird. Das Verfahren umfaßt:
- – Einleitung
der Verbrennung einer verbrennbaren Ladung innerhalb der Arbeitskammer
in der Nähe des
oberen Kolbentotpunktes, um eine relativ abrupte Erhöhung des
Gasdruckes zu generieren;
- – Zusätzliche
Erhöhung
des Volumens der Arbeitskammer durch Deformieren der zugeordneten
elastischen Elemente aufgrund der Gasdruckerhöhung, wodurch eine Relativbewegung
des oberen Abschnittes, bezogen auf den unteren Abschnitt, hervorgerufen
wird; und
- – Steuerung
der Volumenerhöhung
der Arbeitskammer durch Vorherbestimmung der Deformation der zugeordneten
elastischen Elemente, um die Gasdruckerhöhung innerhalb der Verbrennungskammer
zu unterbrechen und um diese zumindest teilweise durch eine im Wesentlichen
isobarische Verbrennung zu ersetzen.
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Als
ein Hauptnachteil dieser Lösung
ist anzusehen, daß der
Kolben eine hohe thermische Belastung zu ertragen hat, da die Kolbenkrone
vom Kolbenhemd isoliert ist. Wegen der erhöhten schwingenden Massen steigen
zudem auch die Vibrationen und die Geräuschbelastung (NVH = Noise
Vibration Harshness). Auch hier ist der bauliche Aufwand sehr nachteilig.
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DE
102004000029.8 betrifft einen Verbrennungsmotor mit zumindest einem
flexiblen Pleuel, der an seinem Pleuelkopf mit einer Kurbelwelle
verbindbar ist und an seinem zum Pleuelkopf gegenüberliegenden
Pleuelauge mit einem Kolben verbindbar ist. Dem Pleuelkopf und dem
Pleuelauge ist jeweils ein Stützträger zugeordnet.
Die Stützträger erstrecken
sich entlang einer Mittelachse aufeinander zu und sind mit ihren
Anschlagenden zueinander variabel beabstandet, so daß ein Spalt
gebildet ist.
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Der
Spalt wird von einem Kraftspeicherelement überbrückt. Nachteilig ist hierbei
insbesondere, dass der zusätzlich
erforderliche Einbauraum für
das Kraftspeicherelement und den gebogenen Pleuelschaft im Bereich
der Pleuelgeige zwischen Pleuel und Zylinderlaufbahn nicht vorhanden
ist. Ein weiterer Nachteil ist auch hier, dass sich das Pleuel bei
hohen Drehzahlen durch die Zugkräfte
der oszillierenden Massen verlängert
und dadurch der Kolben den Zylinderkopf berühren kann. Nachteilig ist weiterhin, dass
sich die Anschlagenden seitlich voneinander weg bewegen, wenn sich
die Pleuelaugen aufeinander zu bewegen, also keine geführte Bewegung
der Anschlagenden zueinander möglich
ist.
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Die
aufgezeigten Probleme bezüglich
der zur Veränderung
des Verdichtungsverhältnisses
in einem Verbrennungsmotor erforderlichen Veränderung der Pleuellänge gelten
selbstverständlich
ganz allgemein für
alle schlanken Stangen oder Stäbe,
deren Länge
variiert werden soll.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbrennungsmotor mit
einer Pleuelstange der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln
derart zu verbessern, daß eine
verbessertes Laufruhe bei reduziertem Kraftstoffverbrauch erreicht
wird und das insbesondere ein Einbau in vorhandene Motoren möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein gerader langer
Stab, wie z.B. eine Pleuelstange, bei Belastung mit einer bestimmten
Druckkraft in Richtung der Stabachse, seitlich ausknickt. Dies wird
bei herkömmlichen
Pleuelstangen durch entsprechende Auslegung der Ausformung des Pleuelschaftes
vermieden, da das Ausknicken nicht begrenzt werden kann. Beim Ausknicken
würde daher eine
plastische Verformung eintreten, die die Funktion des Motors beeinträchtigt und
in den meisten Fällen
sogar zur Beschädigung
des Motors führen
würde.
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Das
Grundprinzip der Erfindung besteht somit in einer Federstange mit
mindestens einem schlanken Schaft und mindestens einem Stützträger wobei
der schlanke Schaft durch Beaufschlagung einer bestimmten in Richtung
der Stangenmittelachse wirkenden Druckkraft seitlich elastisch ausknickt,
so dass sich die Stangenenden aufeinander zu bewegen und sich der
Abstand zwischen den Anschlagenden verringert. Ein plastisches Ausknicken
des Schaftes wird durch den Stützträger vermieden
indem sich die Anschlagenden berühren
und so der Abstand zwischen den beiden Stangenenden auf ein Mindestmass
begrenzt wird.
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Im
Ruhezustand ist der schmale Schaft also gerade und die Entfernung
zwischen den beiden Stangenenden ist am grössten. Im Belastungszustand ändert sich
knickt der schmale Schaft elastisch zur Seite hin aus und die beiden
Stangenenden bewegen sich auf einander zu bis der Abstand zwischen den
Stangenenden von den beiden Stützträgern begrenzt
wird. Bei einer in Stangenmittelachse wirkenden Zugkraft – wie sie
z.B. bei Verbrennungsmotoren im Lastwechseltakt bei hohen Drehzahlen
vorkommen – wird
der Abstand der Stangenenden durch die gerade Form des schmalen
Schaftes begrenzt, da außer
der Zugkraft keine zusätzlichen
Biege- oder Knickmomente auf den Schaft wirken.
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Zweckmäßig im Sinne
der Erfindung ist, wenn die längenveränderliche
Federstange an einem Ende mit einem Kolben und am anderen Ende mit
einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbunden ist und somit
ein variables Verdichtungsverhältnis
ermöglicht
wird. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die Federstange so dimensioniert
wird, dass der Abstand der beiden Stangenenden im Lastwechsel und
bei Teillast des Motors maximal ist und im Verbrennungstakt, insbesondere
bei hohen Lasten – z.B. über 50% – abnimmt.
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Der
wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Veränderung
des Abstandes zwischen den Stangenenden und eine Begrenzung dieses
Abstandes auf eine minimale und maximale Entfernung – wie z.B.
zum Erreichen eines variablen Verdichtungsverhältnisses – ohne Verwendung von zusätzlichen
Bauteilen erreicht wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird die Variation
des Verdichtungsverhältnisses
in vorhandene Motoren ermöglicht
ohne Änderungen
an weiteren Motorbauteilen, die erfahrungsgemäss sehr kostenintensiv sind,
vornehmen zu müssen.
Des weiteren ist die Bearbeitung der Pleuelaugen des elastisch ausknickenden
Federpleuels auch weiterhin auf den vorhandenen Fertigungsmaschinen
für die
herkömmlichen starren
Pleuel möglich.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung werden die Anschlagenden des Stützträgers durch
eine bestimmte Form dargestellt so dass die Stützträger sich während des Ausknickens des schmalen
Schaftes gegenseitig berühren
und in einander schieben, so dass die Bewegungsrichtung der beiden
Stangenenden zueinander – und
insbesondere der Anschlagenden der Stützträger zueinander – geführt wird.
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Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Anschlagende
des Stützträgers durch
zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet ist und das
andere Anschlagende des Stützträgers als
walzenförmig
rund gewölbte
Fläche
ausgebildet ist.
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Alternativ
dazu können
beide Anschlagenden des Stützträgers durch
zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet sein oder
beide als walzenförmig
rund gewölbte
Fläche
ausgebildet sein.
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Zweckmäßig im Sinne
der Erfindung ist, wenn die Stützträger einstückig mit
dem schmalen Schaft hergestellt ist. Natürlich kann aber auch vorgesehen
werden, dass ein Teil des Stützträgers als separates
Bauteil mit den Stangenenden oder mit dem schmalen Schaft verbunden
ist. Selbstverständlich
können
aber auch beide Stützträger als
jeweils separates Bauteil mit den zugeordneten Stangenenden bzw.
mit dem schmalen Schaft verbunden sein. Die Verbindung der separaten
Stützträger mit
den Stangenenden bzw. dem schmalen Schaft kann bevorzugt kraftformschlüssig oder
in jeder anderen Verbindungsart hergestellt werden.
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Zweckmässig im
Sinne der Erfindung ist, wenn zwischen den beiden Stangenenden ein
zusätzliches
Federelement angeordnet ist, insbesondere wenn dieses Federelement
eine progressive Federrate aufweist.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Pleuelstange kann eine Änderung
des Basismotors auf vorteilhafte Weise vermieden werden, wobei sogar
ein Originalkolben verwendet werden kann. Zudem wird kein zusätzlicher,
teurer und komplexer Steuermechanismus erforderlich, da die erfindungsgemäße Ausgestaltung
selbst steuernd ist. Auch eine thermische Belastung des Kolbens
wird nicht verändert,
wobei auch Vibrationen und Lärmbelastung
reduziert werden, da der Pleuelschaft signifikant kleiner ausgestaltet
wird, um eine elastische Bewegung zu erreichen und somit die oszillierenden Massen
verringert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine zusätzlichen
Bauteile benötigt
werden wie z.B. eine zusätzliche
Feder oder entsprechende Federhalter.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
Pleuelstange im Ruhezustand in einer Seitenansicht,
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1b eine
Pleuelstange im Ruhezustand in einem Längsschnitt,
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2a eine
Pleuelstange im Belastungszustand in einer Seitenansicht,
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2b eine
Pleuelstange im Belastungszustand in einem Längsschnitt,
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3a eine
Pleuelstange mit V- und walzenförmigen
Stützträgern im
Ruhezustand in einer Seitenansicht,
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3b eine
Pleuelstange mit V- und walzenförmigen
Stützträgern im
Ruhezustand in einem Längsschnitt,
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1a und 1b zeigen
eine Pleuelstange 1 im Ruhezustand. Die Pleuelstange 1 weist
ein unteres Ende (grosses Pleuelauge) 2, und ein dazu gegenüberliegendes
oberes Ende (kleines Pleuelauge) 3 auf. Zwischen dem grossen
Pleuelauge 2 und dem kleinen Pleuelauge 3 erstreckt
sich ein Pleuelschaft 4. Der Pleuelschaft 4 ist
im Längsschnitt
gesehen gerade ausgeführt.
Die Pleuelstange 1 ist mit seinem grossen Pleuelauge 2 mit
einer Kurbelwelle und mit seinem kleinen Pleuelauge 3 mit
einem Kolben verbindbar.
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Dem
grossen Pleuelauge 2 und dem kleinen Pleuelauge 3 ist
jeweils ein Stützträger 6, 7 zugeordnet.
Die Stützträger 6, 7 erstrecken
sich entlang der Mittelachse X jeweils von dem grossen Pleuelauge 2 bzw.
dem kleinen Pleuelauge 3 weg und aufeinander zu. In dem
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Pleuelstange 1 in einem unbelasteten Zustand dargestellt.
Die Stützträger 6, 7 sind
mit ihren Anschlagenden 8, 9 entlang der Mittelachse
X zueinander variabel beabstandet, so daß ein Spalt 11 gebildet
ist. Der Spalt 11 wird von dem schmalen Pleuelschaft 4 überbrückt, der
im gezeigten Ausführungsbeispiel aus
einem linken und einem rechten Teil besteht. Alternativ sind auch
ein einteiliger Schaft oder mehrteilige Stützträger möglich.
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In
dem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind
die Stützträger 6, 7 einstückig mit
der Pleuelstange 1 hergestellt. Selbstverständlich kann
aber auch der Stützträger 7 als
separates Bauteil mit dem grossen Pleuelauge 3 verschraubt
werden.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Pleuelstange 1 kann ein maximaler Bewegungsbereich
durch den Abstand der beiden Anschlagenden 8 bzw. 9,
also eine Vergrößerung oder Verkleinerung
des Spaltes 11, eingestellt werden.
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Die
Pleuestange 1 ist Bestandteil eines Verbrennungsmotors,
vorzugsweise eines Viertaktmotors, wobei jedem Zylinder jeweils
eine Pleuelstange 1 zugeordnet werden kann. In dem Verbrennungsmotor
werden Verbrennungsdrücke
erzeugt, die ein elastisches Verformen der Pleuelstange 1 bewirken. Eine
minimale Gaskraft, die eine elastische Verformung der Pleuelstange 1 bewirkt,
wird von den Materialeigenschaften der Pleuelstange 1 und
der Dimensionierung der Pleuelstange 1 sowie der Ausgestaltung
des Pleuelschaftes 4, insbesondere durch die Länge des
Pleuelschaftes 4 und dessen Querschnitt, insbesondere dessen
Flächenträgheitsmomentes, welches
durch Dicke und Breite sowie Form beeinflusst werden, beeinflusst.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Länge des
Pleuelschaftes 4 ein Mehrfaches des Produktes aus seiner
Breite BS und seiner Dicke DS beträgt und der Pleuelschaft 4 somit
schlank ausgebildet ist und wenn die Breite BS des Pleuelschaftes 4 deutlich grösser ist
als seine Dicke DS, da dadurch das seitliche Ausknicken begünstigt wird
und gleichzeitig eine besonders hohe Schlankheit erreicht wird,
welches ungünstig
für eine
plastische Verformung ist. Des weiteren wird ein seitliches Ausknicken
in Richtung der Kurbelwellenlängsachse
vermieden, da das Flächenträgheitsmoment
in diese Richtung dann besonders gross ist.
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Besonderes
vorteilhaft ist auch, wenn die Dicke D des Stützträgers 7 deutlich grösser ist
als seine Breite B, da dadurch sein seitliches Ausknicken verhindert
wird.
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2a und 2b zeigen
eine Pleuelstange 1 im Belastungszustand. Der Pleuelschaft 4 ist elastisch
zur Seite ausgeknickt und der Abstand der beiden Pleuelaugen zueinander
sowie der Spalt 11 zwischen den Stützträgern 6, 7 mit
ihren Anschlagenden 8, 9 hat sich im Vergleich
zum in 1a und 1b gezeigten
Ruhezustand mit geradem Pleuelschaft verringert.
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3a und 3b zeigen
eine Pleuelstange 1 wobei das Anschlagende 9 des
Stützträgers 7 durch
zwei in einem Winkel zueinander liegenden Flächen V-förmig ausgebildet ist und das
andere Anschlagende 8 des Stützträgers 6 als walzenförmig rund
gewölbte
Fläche
ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung der Anschlagenden wird
erreicht, dass die Stützträger sich
während
des Ausknickens des schmalen Schaftes gegenseitig berühren und
in einander schieben, so dass die Bewegungsrichtung der beiden Stangenenden
zueinander – und
insbesondere der Anschlagenden der Stützträger zueinander – geführt wird.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn zwischen den beiden Stangenenden ein zusätzliches
Federelement angeordnet ist, insbesondere wenn dieses Federelement
eine progressive Federrate aufweist. Durch dieses zusätzliche
Federelement kann der Bewegungsablauf der beiden Anschlagenden 8, 9 zueinander
zusätzlich
vorteilhaft beeinflusst werden.